Experimentos de reducción de escala y respuestas fisiológicas
Los experimentos de reducción de escala son particularmente cruciales para el modelado exitoso de de los sistemas así como el acoplamiento de los fenómenos de transporte físico y la actividad biológica en un modelo.
Se ha aplicado el enfoque del modelo compartimental (CMA) para generar un modelo que incluía consideraciones cinéticas y se basaba en el conocimiento general de la hidrodinámica de los reactores de tanque agitado, tanto aireados como no aireados.
Se estableció un modelo para la expresión de enzimas celulósicas por el hongo filamentoso Trichoderma reesei, en el que la viscosidad y la influencia en la transferencia de masa tenían el efecto más pronunciado en el resultado del modelo.
Morchain et al. simuló un fermentador aireado en reducción de escala de laboratorio (70 l) y a escala industrial (70 m3) con un enfoque de Euler-Euler para la fase líquida y gaseosa.
Se acopló a un modelo de balance poblacional, que reflejaba la adaptación a gradientes y un modelo cinético para la estimación de tasas de recambio bioquímico.
La tasa de crecimiento fue elegida como el parámetro discriminante entre las dos subpoblaciones.
Se observó una región distinta de alta concentración de sustrato y una alta absorción concomitante de sustrato para cada caso: alimentación desde la parte superior o desde la parte inferior. Se encontró que el crecimiento era espacialmente bastante independiente.
Los autores señalaron las diferencias estimadas entre la tasa de absorción y la tasa de crecimiento como una fuente importante de perturbación.
La evolución de gradientes ha sido estudiada mediante un modelo de paseo aleatorio sesgado (BRWM) capaz de reproducir el desplazamiento de microorganismos dentro de la parte no mezclada de un reactor en reducción de escala reducida.
El modelo es capaz de simular células individuales de una población microbiana que atraviesa el reactor. Se ha utilizado anteriormente para caracterizar el oxígeno disuelto y los gradientes de sustrato experimentados por una sola célula microbiana en un reactor a gran escala.
Se encontró que la tasa de producción local de butanodiol es una función de la entrada de energía local en una fermentación por lotes de Bacillus subtilis acoplando un modelo mecánico a funciones parametrizadas de la transferencia de masa (gas) en biorreactores agitados basados en estudios CFD.
Se aplicó una metodología similar para estimar la disponibilidad de glucosa y los gradientes concomitantes en un cultivo por lotes con alimentación de E. coli en la escala de metros cúbicos.
Especialmente, los resultados de este informe representan la base para muchos experimentos de reducción.
Es necesario realizar más modelos híbridos específicos de casos, ya que se pueden cuantificar los gradientes, que luego se imitan a escala de laboratorio y, por lo tanto, proporcionan datos valiosos a gran escala.
Una comprensión integral de la fisiología celular en biorreactores no homogéneos en reducción de escala industrial es uno de los grandes desafíos de la biotecnología aplicada.
La importancia de los tiempos de respuesta y relajación de los sistemas biológicos se reconoció anteriormente.
Sin embargo, todavía existe una brecha científica entre los esfuerzos fundamentales realizados para comprender la regulación molecular de las redes celulares y la implicación de este conocimiento en las condiciones dinámicas de los bioprocesos.
Los problemas clave para comprender las respuestas interactivas a las faltas de homogeneidad de un sistema celular complejo están relacionados con los siguientes parámetros:
Comprensión limitada de la dinámica del reactor. Puede ser imposible mapear los parámetros químicos y físicos que varían dinámicamente en un biorreactor a gran escala a lo largo del tiempo y el lugar. Los modelos actuales y los métodos de reducción de escala consideran solo unos pocos parámetros. Sin embargo, la celda responderá a las distintas condiciones locales y también responderá a pequeños cambios mientras se mueve a través del reactor.
Comprensión limitada de la cinética de las redes de respuesta celular. La respuesta y adaptación de las células a las condiciones locales ocurren en diferentes horizontes de tiempo, por ejemplo, por flujos metabólicos, por expresión de proteínas o por reorganización de sistemas de membrana. El movimiento de una celda a través de diferentes zonas de un reactor puede ser más rápido que la respuesta. Por lo tanto, la respuesta puede detectarse solo en un sitio diferente del sitio donde se activó.
Comprensión limitada de los efectos de la historia celular. La respuesta de una célula depende de la tasa de crecimiento específica, que a su vez está influenciada por las condiciones ambientales locales y la historia de las condiciones ambientales cambiantes dinámicas experimentadas.
Uso limitado de herramientas técnicas para la medición y el muestreo. Actualmente, rara vez se aplican métodos para recolectar muestras representativas de un biorreactor a gran escala de diferentes sitios en el líquido a granel del reactor, aunque dichos dispositivos de sonda se conocen para biorreactores a pequeña escala. Es necesaria una atención especial para la estabilización inmediata de las muestras, que se recolectan de la fase líquida central de un biorreactor a gran escala, porque su estado puede cambiar en el sistema de muestreo debido a las respuestas metabólicas rápidas, especialmente si se consideran rutas de muestreo largas y si las densidades celulares son altas. Además, la disponibilidad de sensores en línea, que se pueden colocar libremente en diferentes ubicaciones de un biorreactor a gran escala, es limitada.